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6.5 细菌在营养循环和生物利用度中的作用
已经开展了大量研究，以确定 RAS 系统中的异养细菌和自营养细菌的特征，并更好地了解它们在维持水质和营养成分循环方面的作用（有关评论，见 Blancheton 等人（2013 年）；Schreier 等人（2010 年）。 非致病性异物，通常以 α-蛋白细菌为主导，它们在生物过滤器中趋于繁殖，因为氮循环 (NC) 在发展再循环培养中至关重要，因此它们对氮转化的贡献已相当清楚地了解，因为氮循环 (NC) 在发展再循环培养中至关重要系统 (蒂蒙斯和埃贝林 2013). 人们早就认识到，鱼类在 RAS 系统中排泄的氨的细菌转化必须与排泄率相匹配，因为过量的氨很快就会对鱼类有毒（见 [第 9 章]（/社区/文章/第9章-养分循环系统））。 因此，在淡水和海洋 RAS 中，微生物群落在 NC 动力学中的功能作用 —— 硝化、脱硝化、氨化、厌氧铵氧化和硝酸盐异常还原 —— 得到了相当多的研究关注，并在最近的评论中得到了很好的描述（Rurangwa）和 2015 年维德海姆；施雷尔等人，2010 年）。 关于水生动物中氮转化的研究要少得多，但最近的一份综述（Wongkiew 等人，2017 年）对氮的利用效率进行了总结，这是水培中植物生长的首要考虑因素。 继氮之后，水生生物中第二大量营养素是磷，磷对于从饲料中获取它的鱼来说并不是一个限制因素，但对于水培植物来说是至关重要的。 然而，鱼类废物中磷酸盐的形式并不能立即对植物生物利用。 植物必须拥有足够数量的无机离子正磷酸盐（HSub2/Sub4/SUP 和 HPOSUP /SuP2-/SUP = Pi）（Becquer 等人，2014 年），因为这是吸收和同化的唯一生物利用形式。 无机磷酸盐与 pH 值 7.0 以上的钙结合，因此水生系统必须小心保持 pH 值 7.0 附近的 pH 值条件。 随着 pH 值上升到 7.0 以上，各种不溶性形式的磷酸钙最终会成为污泥中的沉淀物（Becquer 等人，2014 年；Siebielec 等人，2014 年）。 因此，P 的 RAS 损失主要是通过清除系统中的污泥（Van Rijn 2013）。 然而，在水栽系统的某个地方，必须捕获微粒物质并允许其矿化，以便为水培单位的作物提供足够的可用养分。 矿化步骤还将释放其他宏观营养素和微量营养素，以减少缺陷，从而减少对水耕车间补充剂的需要。 鉴于世界上富磷酸盐化肥的供应正在减少，补充磷的成本越来越高，目前正在努力最大限度地提高 RAS 污泥中磷的回收率（Goddek 等人，2016b；Monsee 等人，2017 年）。
· Aquaponics Food Production Systems6.4 水生单元的微生物平衡与增强
水生系统的生产力涉及监测和管理环境参数，以便为每个组成部分（无论是微生物、动物还是植物）提供最佳生长条件。 虽然考虑到需求的权衡并不总是可以做到这一点，但 aquaponics 的一个关键目标是围绕着平衡的概念，即维持系统的稳定性涉及调整操作参数，以最大限度地减少造成单元内压力的不必要的扰动，或对其他组成部分的有害影响。 随着不断变化的微生物组合，平衡从来不意味着永久的平衡状态，而是实现尽可能多的稳定性，特别是在水质参数范围内。 RAS 耦合到水耕系统将不断变化，但在这种配置中，RAS 组件保持相对稳定，尤其是在分离系统中（Goddek 和 Körner 2019）。 另一方面，水培系统在水质方面往往更加不稳定，因为植物作物通常以批量方式收获，而且很少与鱼类生产同步。 在任何水生物系统的初始启动阶段，水质 — — 特别是生物过滤器中的微生物群落 — — 是一个令人关注的问题，为了尽量减少机会性细菌的扩散，一种例行做法是允许微生物在吸入水之前成熟引入 RAS，只有在生物过滤器的容量与饲养罐的承载能力相匹配后才添加鱼类（Blancheton 等人，2013 年）。 在水培学中也出现了类似的做法，因为成熟的微生物群落需要时间才能开发和引入所有新水会导致很长的滞后时间，至少有一部分再生水用于接种新作物。 这种做法导致培养条件更加稳定，提高生产力。 例如，在为预摄入过滤器提供粉碎鱼食品时，人们注意到 RAS 系统的性能有所改善（Attramadal 等人，2014 年）。
· Aquaponics Food Production Systems6.3 食品安全和病原体控制方面的生物安全考虑
#6.3.1 食品安全 良好的食品安全和确保动物福利是获得公众支持的高度优先事项。 食品安全专家提出的最常见的问题之一是，在使用鱼类污水作为植物肥料时，人类病原体污染的潜在风险（Chalmers 2004；Schmautz 等人，2017 年）。 最近进行的一项文献搜索以确定水生动物传染病风险的结论是，受污染的摄入水中的病原体或源自温血动物的饲料成分中的病原体可能与鱼肠微生物群有关，即使对鱼类本身没有损害，也可能可能被传递到食物链给人类 (安塔基和贾伊-罗素 2015). 因此，将病原体引入水生生物系统的机制令人关切，最有可能产生粪便大肠杆菌或其他致病细菌来源于鱼的饲料。 从生物学角度来看，这些病原体有可能在生物过滤器中扩散，或者在单循环系统中，通过将空气传播的病原体从开放的植物组成部分引入鱼缸。 虽然在水生养殖系统相对封闭的环境空间中，生物安保风险较低，例如与开放式水产养殖相比，而且在分离式水生养殖系统中，这种系统的部分可以被隔离，但仍有一种看法认为，鱼类污泥可能是潜在危险的时候应用到植物供人类消费。 大肠杆菌 (_E. 大肠杆菌 _) 是一种造成食源性疾病的人肠病原体，一直是农业或水产养殖中使用动物废物作为肥料的主要问题，例如综合猪鱼系统（Dang 和 Dalsgaard，2012 年）。 然而，一般认为它不会对鱼类植物水生物造成风险。 例如，Moriarty 等人（2018 年）曾表明，紫外线辐射处理可以成功地减少大肠杆菌，但也指出，在水生生物系统中检测到的大肠杆菌处于背景水平，不会在鱼道或水培生长的生菜中增殖。实验系统，因此不存在健康风险。 关于这些方面的研究有限，但一些初步研究发现大肠杆菌污染的风险非常低，例如，通过表明对植物应用的灭菌和非消毒 RAS 水处理没有差别（Pantanella 等人，2015 年）。 尽管植物叶片内部的微生物存在潜在风险，从而将其传播到水生植物中生长的一些食用绿叶植物的消耗部分，但其他研究得出类似的结论，即引入潜在危险的人类病原体（艾卢马莱等人，2017 年）。 然而，管理风险，或更重要的是管理对这些风险的看法，仍然是政府当局和水产投资者的高度优先事项。 据认为，饲料投入的质量控制和仔细处理鱼类/鱼类废物可以限制大部分这些潜在问题（Fox 等人，2012 年）。 事实上，据我们所知，目前没有关于水生系统的已知人类健康事件的报告，这可能是因为 RAS 设施和水培温室通常采取良好的生物安全措施，包括严格的卫生和检疫措施观察到。 针对不同水产养殖生产系统评价了建议的生物安全微生物做法，并将建议纳入危害分析关键控制点准则，这是一个国际食品安全控制系统（Orriss 和 Whitehead，2000 年）。 然而，仍然需要更好的科学记录病原体转移给人类的风险，并直接研究水生产这一领域的管理。 #6.3.2 鱼类和植物病原体 在水产养殖、水耕和生物工程方面，现有的专门学科文献可以帮助提高水产养殖中的微生物性能。 例如，微生物群落在鱼类健康方面发挥着广泛的重要作用，包括在饲料的消化和同化以及免疫调节方面发挥关键作用，这些功能以及益生菌在增强水产养殖系统方面的作用得到了充分的审查（Akhter 等(2015 年)。 特别报道了微生物在 RAS 系统中的作用，包括生物过滤器的微生物管理，病原体控制研究，以及各种控制来自 RAS 系统的非味道的技术（Rurangwa 和 Verdegem，2015 年）。 同样，植物根际中的微生物对生根和植物生长具有重要意义（Dessaux 等人，2016 年），同时也对控制水培植物生产中病原体的扩散；Bartelme 等人（2018 年）最近的一份综述对这些领域进行了深入探讨。 然而，对于水生系统各部门之间的微生物群体联系的了解仍然非常有限，这种知识对于最大限度地提高生产力和减少病原体转移至关重要。 对鱼类或植物健康有危险的机会性病原体的扩散是水肺操作经济学中的重要考虑因素，因为任何使用抗生素或消毒剂都可能对生物过滤器功能产生潜在的不利影响，以及破坏微生物稳定在系统的其他区域的关系。 RAS 常用的消毒方案包括用紫外线处理水（Elumalai 等人，2017 年），该方案与臭氧结合使用（通常是两者的组合），包括一线非生物方法来维持水质。 鱼卵/幼虫在引入之前也经常被隔离，并处理任何摄入水，从而减少鱼类病原体直接进入系统的潜在来源。
· Aquaponics Food Production Systems6.2 研究微生物群落的工具
研究微生物群落如何随着时间的推移而变化以及在特定环境条件下哪些生物群体占主导地位的新技术越来越多地为预测系统组成部分内的不良后果提供了机会，从而导致设计更好的传感器和测试有效监测鱼类或植物培养中的微生物群落. 例如，各种 “组学” 技术 —— 元基因组学、元基因组学、社区蛋白质组学、代谢组学 —— 正在越来越多地使研究人员能够研究 RAS、生物过滤器、水培和污泥消化系统中微生物群的多样性，这些系统的取样包括整个微生物组件，而不是一个给定的基因组。 近几十年来，元基因组学和超细胞组学技术对原核多样性的分析有了极大的帮助。 特别是，16S rRNA 基因的扩增和序列分析是基于细菌 DNA 中中性基因序列侧翼核糖体操作子的种内保存，被认为是细菌分类和鉴定的 “黄金标准”。 这些数据还用于微生物学，跟踪流行病和地理分布，并研究细菌种群和系统发育（Bouchet 等人，2008 年）。 该方法可能是劳动密集型和昂贵的，但最近的自动化系统虽然在物种和菌株层面上不一定具有歧视性，但为应用于水生生物环境提供了机会（Schmautz 等人，2017 年）。 最近的评论总结了 16S rRNA 与 RAS 相关的应用（马丁内斯-波查斯和巴尔加斯-阿尔沃雷斯 2017；蒙吉亚-弗拉戈佐等人 2015；鲁朗瓜和韦德海姆 2015）。 在 RAS 和水培中发现的细菌以外的微生物的元基因组学研究进展依赖于类似的方法，但使用 18S（真核）、26S（真菌）和 16S（酵母）rRNA 克隆文库来表征这些微生物群的特征（马丁内斯-Porchas 和 Vargasalbores，2017 年）。 例如，详细的 rRNA 文库也被用于水培学中，用于描述根圈微生物群落的特征（Oburger 和 Schmidt，2016 年）。 这些文库在水生学中特别有用，因为它们可以检查细菌、古细菌、原生动物和真菌等微生物的组合情况，并就系统内的变化提供反馈。 自动化下一代测序（NGS）的发展也使得对种群样本中的基因组进行数据分析（元基因组学），可用于确定微生物群的特征、揭示时空系统发育变化和痕量病原体。 RAS 的应用包括跟踪养殖鱼类中的某些细菌菌株，消除携带毒力菌株的种群，同时保留其他菌株的载体（回顾：（Bayliss 等人，2017 年）。 元基因组学方法可以独立于培养和扩增，这使得以前不可培养的物种能够被知晓并对其可能的影响进行调查（马丁内斯-波查斯和巴尔加斯-阿尔沃雷斯 2017）。 新一代测序技术通常用于植物微生物学，以及后续元链组学分析。 一个很好的例子是首次对根际微生物群落进行的全植物研究，其中根部渗出物与发育阶段相关（Knief 2014）。 在特定环境条件下研究特定细菌物种或菌株时，蛋白质组学是最有用的，以便描述其致病性或可能在共生中发挥的作用。 尽管如此，在先前的元基因组学研究的基础上，利用各种生物化学技术来识别分泌的蛋白质或共生微生物群落的基础上，社区蛋白质组学也取得了进展，而且随着 NGS 技术的能力，还有很多可能性迅速推进 (审查:(刀等人. 2011). 代谢组学描述了基因的功能，但这些技术不是有机物特异性或依赖序列的，因此可以揭示各种代谢物，这些代谢物是生物、组织、细胞或细胞室中细胞生物化学的最终产物（取决于分析哪些样本）。 尽管如此，对特定环境条件下微生物群落的代谢组的了解（微观物）表明，营养物质的生物地球化学循环和扰动的影响很大。 这些知识描述了各种代谢途径和样本中存在的代谢物范围。 随后的生物化学和统计分析可以指出生理状态，反过来又可能与环境参数相关，而这些参数可能无法从基因组学或蛋白质组学方法中得到明显。 尽管如此，将代谢组学与基因功能研究相结合，在进一步推动水肺学研究方面具有巨大的潜力；见回顾（van Dam 和 Bouwmeester 2016）。
· Aquaponics Food Production Systems6.1 导言
水生养殖系统水产养殖部分的循环水含有颗粒物和溶解有机物 (POM, DOM)，这些物质主要通过鱼饲料进入该系统；未被鱼食用或代谢的饲料部分仍然是再循环水产养殖系统 (RAS) 水中的废物，无论是溶解形式（例如氨），还是悬浮或沉降的固体（例如污泥）。 一旦通过机械分离去除大多数污泥，剩余的溶解有机物仍必须从 RAS 系统中去除。 这种过程依靠各种生物过滤器中的微生物群来维持鱼类的水质，并将无机/有机废物转化为植物的生物利用营养物质。 水生生物系统中的微生物群落包括细菌、古细菌、真菌、病毒和组合物中的原动物，这些群体由于营养物质的潮流和流动以及 pH 值、光和氧气等环境条件的变化而波动。 微生物群落在脱硝化和矿化过程中发挥着重要作用 (见 [第 10 章](社区/文章/第 10 章-有氧和厌氧治疗-水烟-贫民-减少和矿化)，因此在包括鱼类在内的整体生产力中发挥关键作用福利和植物健康. 任何水生生物系统都面临的挑战是控制投入 — — 水、鱼苗、饲料、植物 — — 及其相关的微生物群，以最大限度地发挥有机物的益处，并将其分解为目标生物的生物利用形式。 鉴于鱼类和植物的最佳环境生长参数和营养素不同（见 [第 8 章]（/社区/文章/第 8 章-解耦-水生鱼系统）），各种分离和曝气系统以及含有相关微生物组合的生物过滤器必须位于以帮助维持目标鱼类和植物物种的营养水平, pH 值和溶解氧水平在理想范围内. 事实上，水质参数，包括温度、溶氧化物、导电率、氧化还原潜能、营养水平、二氧化碳、照明、饲料和流速，都会影响水生物系统中微生物群落的行为和构成（Junge 等人，2017 年）。 在这方面，重要的是改进设置和操作，以便每个单位向其继承者提供足够数量的生物利用形式的营养物，而不是使病原体或机会性微生物能够消耗下游所需的大部分大量营养素。 用于分析微生物群落的各种技术可以产生关于不同水生结构中群落结构和功能随时间变化的重要信息。 通过将这些变化与营养生物利用度和操作参数联系起来，可以减少基本营养物质生产过度或不足或有毒副产品的生产。 例如，最大限度地从鱼类成分的废物有机物中回收有益的植物养分，主要取决于微生物群在一系列生物过滤器和污泥消化器中促进营养物质分解的能力，其性能基于一系列操作参数例如流量、停留时间和 pH 值（范瑞恩 2013 年）。 由于并非所有的水生生物系统都包括污泥消化器，我们将在本文的后半部分更详细地讨论这个问题，同时请读者参阅 [第 3 章]（/社区/文章/第 3 章-再循环-水产科技），了解更多关于固体分离技术的详细信息。[7](社区/文章/第 7 章-耦合-水壶-系统) 和 [8](./8-解耦-水壶系统 .md), 以讨论耦合与分离水生系统. 如果我们在这里考虑只在水中溶解和悬浮颗粒（而不是污泥），所有水生物系统都采用一系列不同的生物过滤器，将附加的微生物暴露于通过过过滤器的有机物，并提供适当的基质和足够的表面积微生物附着和生物膜的形成。 这种有机物的降解为微生物群落提供了能量，从而将大量营养素 (例如硝酸盐、正磷酸盐) 和微量营养素 (如铁、锌、铜) 以可用形式返回系统 (布兰奇顿等人, 2013 年；Schreier 等人, 2010 年；Vilbergsson 等人, 2016a)。
· Aquaponics Food Production Systems5.9 水上乐器的优势
由于有两种不同的、现有的类似技术可以高速生产鱼类和植物 (RAS 鱼类养殖和水栽培/基质培养植物生产)，因此将其整合起来的理由似乎是相关的。 RAS 以个人生物量增益方面的生产率生产鱼类，其饲料重量相当于其他水产养殖方法（如果不是更好的话）（Lennard 2017 年）。 此外，RAS 允许的鱼类密度高，可以带来更高的集体生物量收益（Rakocy 等人，2006 年；伦纳德 2017 年）。 在受控环境下，水栽培和基材培养具有较高的植物生产率，使其他大多数农业和园艺方法更好（Resh 2013）。 因此，最初要求水产养殖者以相当于这两种独立生产技术的速率生产鱼类和植物；如果没有，那么任何生产努力的损失都不符合任何一体化论点。 如果水生系统中鱼类和植物的生产率可以相当或更好地相当于 RAS 和水培工业，那么可以进一步说明由于整合过程而可能产生的其他优势。 在这两种技术的植物生长率方面，标准水培养或基质培养物与水生培养物进行了直接比较。 Lennard（2005 年）在几个重复实验室实验中将水生生菜与水培控制进行了比较。 在采用标准方法进行培养床水通系统的设计和管理时，他表明，与水培（6.52 kg/msup2/sup）相比，水生生菜的产量在统计学上较低（4.10 kg/msup2/sup）。 然而，他进行了一系列实验，分离了设计的特定参数（例如，倒数与恒定水培亚单位输水、将水流速应用于水培亚单元，并比较不同的水培亚单元）或比较具体的管理驱动因素（例如缓冲方法和物种以及总体起始营养浓度），从而实现优化，然后证明水生生菜（5.77 kg/msup2/sup）在统计学上与水培生菜的生产（5.46 kg/msup2/sup）在水培生菜的生产（5.46 kg/msup2/sup）相同。这一结果表明, 对耦合或完全循环水生设计的改进可以相当于标准水耕植物生产率. Lennard（2005 年）还证明了鱼类存活率、SGR、FCR 和生长率等同于标准 RAS 和广泛池塘水产养殖中的测试鱼种（澳大利亚 Murray Cod）。 Pantanella 等人（2010 年）还表明，在高鱼密度（5.7 千克/msup2 苏贝生菜）和低鱼密度（5.6 千克/msup2 苏贝生菜生产）水生生菜系统与标准水培控制系统相比（6.0 千克/msup2/sup）。 Lennard（Nichols 和 Lennard 2010）表明，与同一温室内的水培 NFT 系统相比，所有生菜品种和几乎所有药草品种生产均在营养膜技术 (NFT) 水生体系中测试，统计学上相等或更好。 Delide 等人（2016 年）比较了营养补充 RAS 生产水（添加营养成分以匹配一种水养分混合物和强度示例 —— 以水生类似物表示），全营养补充 RAS 生产水（带有添加水培养盐的 RAS 生产水在植物生长速率方面，符合水培的水养分混合物和强度，表示为分离模拟物）和水培控制（标准水培养液溶液），并表明水培水模拟物等于水培控制和分离模拟水更好的水培控制。 然而，必须指出的是，这些不是完全运行的水生生物系统，含有鱼类（以及相关的、完整的和活性的微生物含量）进行了比较，而只是从操作 RAS 中去除的水和补充，然后与水培控制水进行比较。 Rakocy 和他的 UVI 团队通过多项研究证明，_罗非皮_spp.
· Aquaponics Food Production Systems5.8 水生动物作为一种生态方法
直到最近，Aquaponics 一直以全循环（或耦合）设计方法为主，这些方法在两个主要组成部分（鱼类和植物养殖）之间不断共享和循环水资源（Rakocy 等人，2006 年；Lennard 2017）。 此外，历来应用于水生技术的低到中等技术方法促使人们希望去除昂贵的成分，从而增加积极经济成果的潜力。 其中一个过滤组件几乎总是应用于标准 RAS 和水栽培/基材培养技术，即水生灭菌技术，一直没有被水生设计师包括在内。 普遍采用 RAS 和水栽培/基质培养环境中的灭菌方法，因为养殖的鱼类或植物的密度高通常会吸引水生病原体的压力，大大降低了整体生产率（Van Os 1999；Timmons 等人，2002 年）。 这两种技术中水生虫害压力增加的主要原因是，每一种技术都集中精力提供最低限度的生物生态资源，因此在系统内为生物殖殖民提供了相当大的 “生态空间”。 在这些 “开放” 的生物条件下，虫害和病原物种繁殖，往往迅速殖民，以利用现有物种（即鱼类和植物）（Lennard 2017）。 在这方面，对培养水进行灭菌或消毒一直被视为解决这一问题的工程方法（Van Os 1999；Timmons 等人，2002 年）。 这意味着 RAS 和水栽培/基质培养行业都采用灭菌方法来控制相关培养水中的病原体。 Aquaponics 一直强调相关微生物学对于执行重要生物服务的重要性。 在 Rakocy 和他的 UVI 团队的所有水生子耦合设计中，没有包括生物过滤器，因为它们证明了筏培养、水培成分提供了足够的表面积来支持硝化细菌群的大小，以便将鱼类产生的所有氨作为溶解废物产品并将其转化为硝酸盐 (拉科奇等人, 2006 年, 2011 年). 因此，Rakocy 和他的团队并不主张对系统水进行灭菌，因为这可能会影响到硝化细菌菌落。 这种历史悠久的 UVI/RakoCy 视角决定了未来的水生系统设计。 发现并讨论了不将水生灭菌纳入水生生物系统的其他优点，特别是在辅助植物微生物群的背景下（Savidov 2005；Goddek 等人，2016 年）。 水生研究和行业目前的想法是，不应用任何形式的水生灭菌或消毒，系统水可以开发一个由多种不同微生物生物形式组成的复杂水生生态系统（Goddek 等人，2016 年；Lennard 2017）。 这就产生了一种类似于自然生态系统的情况，在这种生态系统中，高度多样的微生物群相互作用以及系统内其他相关生命形式 (即鱼类和植物)。 拟议的结果是，这种多样性导致这样一种情况：由于存在所有其他微生物群落，任何一个病原体都不能占据主导地位，因此不能对鱼类或植物生产造成破坏性影响。 研究表明，水生系统含有高多样性的微生物群落（Eck 2017），并通过上述提出的生态多样性机制，通过这种微生物多样性为鱼类和植物的健康和生长提供了帮助（Lennard 2017）。 非消毒、生态多样化的水生生态方法历来应用于耦合或完全循环的水生设计（Rakocy 等人，2006 年），而一些分离水生设计方法则提出了灭菌的水培类比（Monsees 等人，2016 年；Priva 2009；Goddek2017 年）。 然而，似乎更多的分离设计师现在正在应用考虑生态、非消毒方法的原则（Goddek 等人，2016 年；Suhl 等人，2016 年；Karimanzira 等人，2016 年），因此承认多样化的水生微生物群落会产生积极影响（Goddek 等）。等人，2016 年；伦纳德 2017 年）。
· Aquaponics Food Production Systems5.7 营养来源
任何水生生物系统的主要投入是添加的营养物质，因为水生系统的设计旨在有效地分配给他们的营养物质到三种重要的生命形式：鱼类和植物（这是该系统的主要产品）和微生物群落（这有助于使添加营养物质提供给鱼类和植物) (伦纳德 2017). 在经典的完全循环的水生设计中，关键的设计驱动因素之一是尽可能高效地使用主要的养分输入来源，即鱼饲料，因此完全循环设计力求为鱼饲料中的植物提供尽可能多的营养素（Lennard 2017）。 另一方面，分离式设计将重点放在优化植物生长上，直接比较标准水培养和基质培养中应用的营养混合物和强度，并试图在水生环境中复制这些物质，因此不会努力提供尽可能多的鱼饲料中植物所需的营养物质，并利用大量外部营养素补充来达到所需的植物生长率（Delide 等人，2016 年）。 这意味着根据技术设计方法对添加的营养物质的来源给予了不同的重视，因此，这影响到水生系统的主要营养供应来源；对于完全循环的设计，主要的植物养分来源是鱼饲料（通过鱼类废料）生产），对于分离设计，植物的主要营养供应来源是外部补充剂（例如营养盐）（Lennard 2017）。 完全循环的水生设计，如 UVI 水生系统模型，依靠鱼饲料作为该系统的主要营养来源（Rakocy 等人，2006 年）。 鱼类饲料被添加到鱼中，鱼类食用它，代谢它，并根据需要使用它的营养物质，然后产生一个废物流（固体和溶解）。 这种来自鱼类的废物流成为植物的主要营养来源，因此鱼饲料是植物的主要营养来源。 UVI 系统仅提供鱼类饲料中种植植物所需的大约 80% 或更多的营养素（伦纳德 2017 年）。 植物生长所需的剩余营养物质，因为鱼饲料不含所需数量，通过营养补充方法添加，这种方法具有补充额外营养物质和控制系统水生 pH 值的双重作用（Rakocy 等人，2006 年）。 这种双重作用方法被称为 “缓冲”，补充措施称为 “缓冲”。 对于 UVI 模型，被确定为缺乏鱼饲料和需要补充的两种重要植物营养物质是钾 (K) 和钙 (Ca)，并通过缓冲制度每天补充。 此外，鱼饲料中也缺乏植物需要的铁 (Fe)，通过直接添加到系统水中以几周测量的频率（即根据每周水生铁分析每 2-4 周）以螯合形式补充（Rakocy 等人，2006 年）。 其他完全循环的水生设计方法或方法更加重视通过鱼饲料提供养分。 Lennard（2017 年）开发了一种完全循环系统的方法，通过添加的鱼饲料提供植物生长所需的 90% 以上的营养物质。 与 UVI 方法相比，这种方法通过鱼饲料提供的营养物质的效率有所提高，因为这种方法对固体鱼类废物进行再矿化（通过外部细菌介导的生物消化），并将这些养分添加到水生生物系统中进行植物利用，而UVI 方法将大部分固体鱼类废物送入外部废物流（Rakocy 等人，2006 年；伦纳德 2017 年）。 这种方法还通过缓冲制度增加了鱼饲料中缺乏的营养物质，以促进植物生长；但是，这种方法要严格得多，并且比 UVI 方法更好地操纵养分强度和混合物（Lennard 2017）。 因此，大多数完全循环水生系统设计的主要营养添加途径是鱼饲料（主要途径）、添加钾和钙的缓冲外部补充（次要途径）以及铁螯合物的直接补充（次要途径）。 分离式水生子系统设计，例如目前在欧洲广泛采用的设计，依靠鱼饲料营养素和活性外部补充剂的混合物来提供植物生长所需的营养素（Suhl 等人，2016 年）。 由于分离设计不会将水从植物成分返回到鱼类成分，因此可以根据植物需求定制水中的营养分布（Goddek 等人，2016 年）。 因此，分离式水生设计几乎总是依靠大量的外部营养补充来满足植物的需求，而不太重视从鱼类废物中为植物提供尽可能多的营养。 此外，与全循环方法（Lennard 2017）相比，外部补充剂的含量非常大，外部补充剂定期占植物总营养素需求量的 50% 或更高（Goddek 2017）。 用于分离水生子系统的外部营养素通常是水培养盐类似物或衍生物（Delide 等人，2016 年；Karimanzira 等人，2016 年）。 对于欧洲分离方法的植物供应而言，依靠大量额外营养物质的来源，除了源自性质上属于水培盐的鱼类废物（鱼饲料）所产生的营养物质，甚至直接影响到欧洲水生生物界目前适用, 与欧盟成本, 欧盟水上生物中心, 定义水生生物学为 “… 水生生物和植物的生产系统，其中大多数 (\ > 50%) 的养分来自源自喂养水生生物的废物” (Goddek 2017; COST FA 1305, 2017) 相比伦纳德 (2017 年），该公司将水生物定义为需要至少 80% 的鱼类废物养分供应。 有些人还争辩说，一种依赖 50% 的植物生长所需营养素来自鱼类饲料以外的外部来源的方法是否实际上是水生的，或者说是一种水培法，一种集成或添加一些鱼（Lennard 2017）？
· Aquaponics Food Production Systems5.6 适用鱼类养殖技术
在水生动物学中，整合方程的水产养殖部分广泛应用于基于水箱的环境中，鱼类被储存在水箱中，通过机械（固体去除）和生物（氨转化为硝酸盐）机制过滤水，并通过曝气或直接氧气注入（拉科奇等人，2006 年；伦纳德 2017 年）。 正如本章 第 5.0 节 (导言) 所指出的那样，中国水上乐园 (Somerville 等人, 2014 年) 和亚洲水稻养殖 (Halwart 和 Gupta 2004) 早期迭代水上乐园原理的历史例子是毫无根据和不适当的，因为现代水上乐器依靠设计的鱼类和鱼类饲料来为植物提供设计水平的营养，因此，这些历史的例子不能以任何方式考虑类似的方式（Lennard 2017）。 上述历史例子依赖于土壤植物培养系统，导致了一个问题，即哪些水产养殖技术适合水产养殖整合。 以土壤为基础的广泛淡水池养殖鳍鱼是用于生产淡水鱼供人类食用的最大养殖方法（Boyd 和 Tucker，2012 年）。 池塘方法依靠池塘的土底以及该土壤中存在的相关微生物群落来处理和补救鱼类养殖产生的废物，使鱼类不会生活在可能对其有毒的水中（Boyd 和 Tucker，2012 年）。 由于该系统依靠土池本身固有的处理能力，因此与其他水产养殖方法相比，鱼类密度相对较低。 由于鱼类密度较低（因此相关的喂养率较低），池塘本身处理和吸收鱼类产生的废物养分，池塘水的养分浓度极低。 这些池塘系统水生养分浓度非常低，通常不适合作为大量商业水生植物生产方法的营养来源（Lennard 2017）。 因此，就可接受的植物生产率而言，池塘并不是与水培结合的适当水产养殖方法。 同样，通过控制的滚道鱼养殖罐，以高周转率或低停留时间提供大量水的滚道鳍鱼养殖方法（经常用于淡水鲑鱼生产）也不适合水生一体化，因为高水营业率不足以积累足够的营养物以满足植物营养要求 (Rakocy 和 Hargreaves, 1993 年). 在水生一体化环境中应用的最合适的鱼类养殖技术是那些在鱼缸中养殖鱼类，并允许一定程度的鱼类废物积累（植物养分积累），这些技术可能导致水分养分浓度，适用于高效水培植物生产 (拉科奇等人, 2006 年). 再循环水产养殖系统 (RAS) 原则被广泛应用于水生养殖，因为它们提供了一些方法，可以在受控的水量中成功地养殖和种植鱼类，并且每日更换水量较低，允许鱼类废物（植物养分）积累接近这些需要有效地进行水培养的植物 (拉科奇和哈格雷夫斯 1993; 伦纳德 2017). RAS 的复杂性和设计要求在本书 [第 3 章]（/社区/文章/第 3 章-再循环-水产-技术）中进行了讨论。 只需说，RAS 鱼类养殖是在水生环境中应用鱼类养殖成分的唯一真正合适的方法，正如上文所述，以土壤为基础的水产养殖系统，如广泛的池塘系统和滚道培养系统，无法满足植物的营养需求。因此不应予以考虑.
· Aquaponics Food Production Systems5.5 水质要求
Aquaponics 代表着控制水质的努力，以便在尽可能接近理想的水化学条件下培养目前所有的生命形式（鱼类、植物和微生物）（Goddek 等人，2015 年）。 如果水化学能够满足这三种重要生命形式的要求，那么就可以提高生长和健康的效率和优化（Lennard 2017）。 优化对于商业水生产非常重要，因为只有通过优化才能实现商业成功（即金融盈利）。 因此，水生系统中的水化学和水质要求对于企业取得最终商业和经济成功至关重要（Goddek 等人，2015 年）。 目前，在更广泛的水生产业和社区内部，对于水生系统内的良好或可接受的水质，存在着分歧。 人们普遍认为，个体生命构成子集（鱼类、植物和微生物）的天然水化学要求已得到广泛的一致认可（拉科奇和哈格雷夫斯 1993 年；Rakocy 等人，2006 年；Goddek 等人，2015 年；Delide 等人，2016 年；伦纳德 2017 年）。 然而，由于存在广泛的方法、方法和技术选择，而且再循环水产养殖系统 (RAS) 和水培植物培养 (包括基材培养) 相关的独立技术的背景或历史，似乎导致运营商，科学家和设计师之间的分歧。 例如，只考虑一个单一的水化学参数 pH 值，有些人认为水培养植物的 pH 要求与 RAS 养殖淡水鱼种的 pH 要求有很大的不同（Suhl 等人，2016 年）。 水培产业通常应用 4.5 到 6.0 之间的 pH 值设置（Resh 2013 年），而 RAS 行业通常应用 7.0 和 8.0 之间的 pH 值设置（Timmons 等人，2002 年），以满足鱼类和微生物的要求（这些微生物具有重要作用）潜在有毒的鱼废物代谢物转化为毒性较小的形式）。 因此，论点是，任何 pH 值设定点都是植物、鱼类和微生物的要求之间的折衷，因此无法实现所有生命形式的最佳 pH 值，从而导致植物生产不理想（Suhl 等人，2016 年）。 然而，其他人则认为，对植物营养素摄取的养分动态的复杂性进行更仔细的审查可能会表明不同的意见（Lennard 2017）。 水培（和基质培养）系统通过向水中添加营养盐，从而释放可用的营养离子，以基础离子形式向植物提供营养物质（Resh 2013）。 研究表明，这些离子营养形式存在于一个窗口的可用性植物，基于可用的系统水 pH 值。 因此，在标准的水培背景下，没有微生物菌群（即灭菌 — 与大多数水培系统一样），重要的是将系统水的 pH 值设置为尽可能使植物所需的离子营养混合物的水平（Resh 2013）。 在任何水培系统中，这本身都是一种妥协，因为正如任何离子营养素可用性图表（见图 5.
· Aquaponics Food Production Systems